5G radyo frekansı karasal teknolojisini tek bir makalede anlayın: karmaşıklığı korkutucu, temel bant teknolojisiyle eşdeğer.

Mobil internet çağında standart bir özellik haline gelen cep telefonları, hayatımızın her alanına girdi. Onunla sohbet edebilir, alışveriş yapabilir, dilediğimiz gibi televizyon programları izleyebilir ve harika bir hayatın tadını çıkarabiliriz.

Cep telefonları çok önemli olduğu için insanlar ilgili teknolojilerin gelişimini büyük bir dikkatle takip ediyor. Yeni bir ürün piyasaya sürüldüğünde, medya uzun uzun haberler yapıyor ve sosyal ağlarda da hararetli tartışmalar yaşanıyor.

Ancak, insanların cep telefonlarına olan ilgisi genellikle işlemci (CPU), grafik işlemci (GPU), baz bant, ekran ve kamera gibi bileşenlere odaklanmaktadır. Cep telefonları için son derece önemli olan ancak çok az kişinin dikkat ettiği özel bir bileşen daha vardır.

Hangi kısım? Evet, bugünkü makalemizin baş kahramanı olan radyo frekansı.

▉Radyo frekansı nedir?

Radyo frekansı, İngilizce adı Radio Frequency olan ve kısaca RF olarak bilinen bir terimdir. Kelime anlamı olarak Radyo Frekansı, radyo frekansı demektir. Radyo frekansı sinyalleri, özellikle 300 kHz ile 300 GHz arasında frekans aralığına sahip radyo elektromanyetik dalgalarını ifade eder.

Hepimizin bildiği gibi, cep telefonlarının baz istasyonlarıyla iletişim kurabilmesinin nedeni, birbirlerine radyo elektromanyetik dalgaları gönderip almalarına dayanmaktadır.

Cep telefonlarında bulunan ve özellikle radyo elektromanyetik dalgalarını göndermek ve almakla görevli olan bir dizi devre, çip, bileşen vb. topluca radyo frekans sistemi veya kısaca "radyo frekansı" olarak adlandırılır (aşağıda da aynı şekilde).

Radyo frekansı ve baz bant, cep telefonu iletişim fonksiyonlarının temel taşlarıdır. Cep telefonu ile dış dünya arasındaki iletişimi bir "hızlı servis" olarak ele alırsak, baz bandın sorumluluğu verileri "paketlemek/açmak"tır. Radyo frekansının sorumluluğu ise belirlenmiş radyo frekans bandı üzerinden "paketleri" iletmek/almaktır.

Schematic diagram: Baseband on the left and RF on the right

Radyo frekansı neye benziyor? Aşağıdaki resim, belirli bir marka cep telefonunun ana devre kartının ön ve arka yerleşim düzenini göstermektedir.

(ABI Research'ten fotoğraf)

Resimde sarı daire içine alınmış kısımların tamamı radyo frekansına aittir. Görüldüğü gibi, radyo frekansı bileşenleri cep telefonlarının yapısında büyük bir paya sahiptir.

Mimari açıdan bakıldığında, eksiksiz bir radyo frekans sistemi üç bölümden oluşur: radyo frekans alıcı-vericisi, radyo frekans ön uç ünitesi ve anten. RF ön uç ünitesi ayrıca güç amplifikatörleri, zarf izleyiciler, düşük gürültülü amplifikatörler, filtreler, anten anahtarları ve anten ayarlayıcıları gibi çeşitli bileşenleri de içerir.

RF mimarisi

RF ön uç devresinin her bir bileşeninin işlevleri karmaşık değildir. Örneğin, yükseltici sinyali yükselterek daha uzağa iletilmesini sağlar; filtre paraziti giderir ve sinyali daha "saf" hale getirir; anten anahtarı antenin açılıp kapanmasını kontrol etmek için kullanılır; anten ayarlayıcısının temel işlevi ise en iyi alıcı-verici etkisini elde etmek için antenle "oynamaktır"...

Çok sayıda radyo frekansı bileşeni birbirleriyle işbirliği yaparak "son adımı" tamamlar ve temel bant "biu~biu~biu~" tarafından paketlenmiş verileri iletir.

Radyo frekans tasarımı mantıksızsa ve bileşen performansı yetersiz kalırsa, bu durum doğrudan cep telefonunun kablosuz sinyal gönderme ve alma yeteneklerini etkileyerek iletişim kapasitesini olumsuz yönde etkiler. Bunun belirtileri arasında zayıf kablosuz sinyal, kısa iletişim mesafesi, yavaş ağ hızı vb. yer alır.

Başka bir deyişle, bir cep telefonunun radyo frekans kapasitesi iyi değilse, yetersiz güce sahip bir araba gibidir. Diğer işlevleri ne kadar gelişmiş olursa olsun, kullanıcılar tarafından kabul görmeyecektir.

Bu nedenle, cep telefonu üreticileri cep telefonlarını geliştirip tasarlarken genellikle radyo frekansına çok fazla önem verir, ürünü piyasaya sürmeden önce defalarca değerlendirme yapar, test ve doğrulama işlemlerini gerçekleştirirler.

▉5G radio frequency challenges

Bugün, başımız dik bir şekilde 5G çağına giriyoruz. Geleneksel 4G ile karşılaştırıldığında, 5G'nin radyo frekans sisteminde herhangi bir değişiklik var mı?

Cevap evet. Sadece bir değişiklik değil, çok büyük bir değişiklik söz konusu.

4G ile karşılaştırıldığında, 5G performans göstergelerinde büyük iyileşmeler kaydetti. 5G'nin eMBB (gelişmiş mobil geniş bant) senaryosu, cep telefonu hızlarını Gigabit veya hatta 10 Gigabit seviyelerine çıkarıyor; bu da önceki LTE hızının (100 Mbps) sırasıyla 10 katı/100 katı anlamına geliyor.

2G/3G/4G, artı 5G, artı MIMO (çoklu anten teknolojisi), artı çift SIM çift bekleme, mobil telefonların anten sayısının ve desteklenen frekans bantlarının iki katına çıkması. 4G'nin ilk günlerinde 20'den az frekans bandı kombinasyonu vardı. Buna karşılık,5G has more than 10,000 frequency band combinations, the complexity is terrifying.

Aynı zamanda, kullanıcıların yükseltmeye istekli olmalarını sağlamak için, 5G cep telefonlarının kalınlığı ve ağırlığı artırılamaz, güç tüketimi artırılamaz ve bekleme süresi azaltılamaz.

Cep telefonu üreticisi olsaydınız, çıldırır mıydınız?

Bu nedenle, 5G cep telefonlarının radyo frekansının kendini yeniden keşfetmesi ve mucizeler ve yenilikler yaratmak için yoğun çaba sarf etmesi gerekmektedir.

Radyo frekans sistemlerinin tasarım sorunları nasıl çözülür? Qualcomm, makro bir fikir ortaya attı ve doğrudan "komple modem ve radyo frekans sistemi" sağladı. Yaygın anlayışa göre bu, temel bant, RF alıcı-verici, RF ön uç, anten modülü, yazılım çerçevesi vb. her şeyin tamamlandığı ve üreticiye eksiksiz bir çözüm sunulduğu anlamına gelir.

Başka bir deyişle, 5G cep telefonları gibi terminal bileşenlerinin tasarımında, daha önceki "doğu pazarından at, batı pazarından eyer, güney pazarından dizgin ve kuzey pazarından kırbaç alma" fikrinden vazgeçilmeli ve bireysel bileşenlere odaklanılmalı; bunun yerine "paket tasarımı" adı verilen entegre bir sistem düzeyinde çözüm benimsenmelidir.

Örneğin, geçmişte A fabrikası baz bandını, B fabrikası RF'yi, C fabrikası anteni üretirdi ve daha sonra D fabrikası bunları nasıl entegre edip bağlayacağını bulurdu. Günümüzde ise güçlü üreticiler baz bandını, radyo frekansını ve anteni vb. doğrudan paketleyip tasarlıyor ve ardından cep telefonu üreticilerine teslim ediyor, böylece hızlı bir şekilde kullanıma hazır hale geliyorlar.

5G baz bant ve radyo frekansının karmaşıklığındaki önemli artış, sistem düzeyinde entegrasyonun kaçınılmaz bir sonucudur.

Tıpkı bir tren gibi. Eskiden, yeşil deri kaplı vagonların hızı düşüktü ve vagon ile lokomotifin ön kısmı ayrı ayrı tasarlanıp üretilebiliyor ve daha sonra birlikte çalıştırılabiliyordu. Ancak yüksek hızlı tren çağında, hız göstergeleri iki katına çıktı. Eğer ayrı ayrı tasarlanıp üretilmeye devam edilirse, vagonlar ve lokomotif arasında derin bir koordinasyon sağlanamaz. Sadece hız göstergelerine ulaşmak zorlaşmakla kalmaz, güvenlik sorunları da ortaya çıkabilir.

Bu nedenle, yüksek hızlı tren elektrikli çoklu ünite (EMU) trenleri genellikle birleşik bir şekilde tasarlanır ve üretilir.

Başka bir deyişle, yukarıda belirtilen zorlu 5G göstergeleri karşısında, sistem düzeyinde entegrasyon perspektifinden temel bant ve radyo frekansının genel bir tasarımının yapılması gerekmektedir. Bu şekilde, ikisi mükemmel yazılım ve donanım sinerjisi sağlayabilir ve optimum performans (verimlilik oranı, kapsama alanı vb.) elde edebilir.

Entegre tasarım, belirtilen göstergelere ulaşmanın yanı sıra, sistemin nihai boyutunu küçültmeye ve cep telefonunun kapladığı alanı azaltmaya da yardımcı olur. Sistem güç tüketimi ve ısı dağılımı kontrolü açısından da entegre tasarımın belirgin avantajları vardır.

Last but not least, providing system-level integration solutions can reduce the design difficulty of mobile phone manufacturers, allowing them to launch products faster and seize the market.

▉5G radyo frekansı siyah teknolojisi

Gelin, sistem düzeyinde entegre 5G radyo teknolojisinin ilgi çekici gizli yönlerine daha yakından bakalım.

Öncelikle, ilk siyah teknoloji geniş bant zarf izleme teknolojisidir.

Daha önce radyo frekans mimarisini tanıtırken, içinde bir güç izleyici (power tracker) vardı. Güç izleyiciler, güç yükselticilerle birlikte kullanılır.

Güç yükselticisi, radyo frekansının temel bileşenidir. Küçük sesleri (sinyalleri) yüksek seslere (sinyallere) dönüştüren bir hoparlör gibidir.

Trompet çalmak istiyorsanız, kesinlikle çok çalışmanız (güç kaynağına) gerekir. Güç takip cihazının işlevi, trompetin çalınma yoğunluğunu (gücünü) kontrol etmektir.

Geleneksel üfleme yöntemi, ortalama güç takibi anlamına gelen APT yöntemidir. Belirli bir süre içinde üfleme kuvveti sabit kalır.

Geniş bant zarf izleme (ET) teknolojisi, gücün hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Başka bir deyişle, baz bant (modem), sinyaldeki değişikliklere göre radyo frekansındaki zarf izleyiciyi kontrol ederek kablosuz sinyalin iletim gücünü doğru bir şekilde kontrol edebilir.

Zarf izleme yönteminin israf edilen güç tüketimi, geleneksel ortalama güç izleme yöntemine göre önemli ölçüde daha azdır.

(Qualcomm'dan alınan görsel)

Bu sayede fiziksel güç (enerji) büyük ölçüde tasarruf edilir, radyo frekansı güç tüketimi azalır ve cep telefonunun bekleme süresi uzar.

Hassas iletim gücü kontrolü, cep telefonlarının en iyi sinyal iletim verimliliğini elde etmesine ve böylece daha iyi kanal kalitesine ulaşmasına yardımcı olur. Cep telefonu ve baz istasyonu arasındaki "iki yönlü iletişim" sürecinde, cep telefonu daha iyi kanal kalitesi elde ettiğinde, baz istasyonu cep telefonunun daha iyi yukarı ve aşağı bağlantı hizmetleri (örneğin 2×2 MIMO desteği) elde etmesini destekleyebilir ve ağ hızı daha akıcı hale gelir. Ayrıca, daha iyi kanal kalitesi, baz istasyonunun cep telefonlarına daha yüksek dereceli modülasyon yöntemleri (örneğin 256QAM) tahsis etmesi için de koşullar yaratır; bu da cep telefonu verimliliğini artırabilir ve daha hızlı ve daha iyi veri iletim hizmetlerini destekleyebilir.

Qualcomm tarafından daha önce piyasaya sürülen Snapdragon 5G modemlerin ve RF sistem entegre geniş bant zarf izleyicilerinin çeşitli nesilleri yukarıda belirtilen teknolojiyi zaten benimsemiştir. En yeni geniş bant zarf izleyicisi QET7100, piyasadaki diğer üreticilerin sunduğu en gelişmiş ürünlere kıyasla enerji verimliliğinde %30'luk bir iyileşme sağlamaktadır.

Tanıttığımız ikinci siyah teknoloji ise yapay zeka destekli sinyal güçlendirme teknolojisidir.

Bu teknoloji, Şubat ayında piyasaya sürülen Snapdragon X65 5G modem ve radyo frekans sisteminde yer alan en yeni teknolojidir. Ayrıca, sinyali güçlendirmek için yapay zeka teknolojisinin mobil telefon radyo frekans sistemine entegre edildiği sektörde bir ilk olma özelliğini taşıyor.

Yapay zekâ destekli sinyal güçlendirme teknolojisinin özü, yapay zekâ teknolojisini anten ayarlama sistemine entegre etmektir. Anten ayarlamanın iki yöntemi vardır: biri empedans eşleştirme, diğeri ise açıklık ayarlamasıdır.

İlk önce empedans uyumuna bakalım.

Empedans eşleştirme olarak adlandırılan işlem, bir tür "su borusu" çalışması olarak anlaşılabilir.

RF sistem bileşenleri ile anten arasındaki bağlantı, iki su borusu arasındaki bağlantıya benzer. Empedanslar tutarlı olduğunda, konumlar mükemmel bir şekilde örtüşür. Bu durumda, su akışı en büyük ve sinyal verimliliği en yüksektir. Bileşenin empedansı değişirse, su borusu eğrilir, su akışı azalır ve su akışının bir kısmı boşa gider.

Empedans değişikliklerinin birçok nedeni vardır; el teması, veri kablolarının takılması, cep telefonu kılıflarının takılması vb. Hatta farklı tutma şekilleri (sol el, sağ el, tek el, iki el) bile farklı empedanslara yol açacaktır.

Geleneksel empedans eşleştirme yöntemi, laboratuvarda çeşitli empedans değişim nedenlerini test ederek anten karakteristik değerlerini bulmak ve ardından modem aracılığıyla radyo frekans bileşenlerini kontrol ederek empedansı ayarlamak ve böylece su alma borusunun su besleme borusuyla mümkün olduğunca hizalanmasını sağlamaktır.

Yapay zeka destekli sinyal güçlendirme teknolojisi, çeşitli empedans değişikliklerinden kaynaklanan anten karakteristik değerleri üzerinde büyük veri analizi ve makine öğrenimi gerçekleştirmek için yapay zeka algoritmalarını kullanarak, empedansın akıllıca ayarlanmasını ve en mükemmel eşleşme etkisinin elde edilmesini sağlar.

To put it bluntly, it is a bit like installing a butt hose between the water supply pipe and the water receiving pipe to prevent the water flow from being wasted as much as possible.

Yapay zeka destekli sinyal güçlendirme, radyo frekansı ile anten arasındaki bağlantı hortumuna eşdeğerdir.

Diyafram ayarı nispeten basittir, sadece antenin elektriksel uzunluğunu ayarlamanız yeterlidir.

Radyolojik açıdan bakıldığında, bir antenin ideal uzunluğu dalga boyunun dörtte biri olurdu. Günümüzün cep telefonları, tam ağ iletişimi, çift SIM çift bekleme ve diğer nedenlerden dolayı, mobil iletişim sisteminin çalışma frekansı dinamik olarak değişmektedir. Örneğin, bazen 2.6 GHz'de, bazen de 3.5 GHz'de çalışır.

Çalışma frekansı değişirse, optimum dalga boyu da değişir. Bu nedenle, en iyi etkiyi elde etmek için antenin açıklığını ayarlamak, antenin uzunluğunu düzenlemek ve dalga tepesini uzatmak gerekir.

Özetle, empedans eşleştirme ve diyafram ayarına dayalı anten ayarlama teknolojisinin temel işlevi, dış ortamın anten sinyali üzerindeki etkisini ortadan kaldırmak, sinyali dinamik olarak ayarlamak ve kullanıcı deneyimini iyileştirmektir.

Gerçekleştirilen doğrulamalara göre, yapay zeka destekli sinyal güçlendirme teknolojisi ile sistemin durumsal farkındalık doğruluğu %30 oranında artırılabiliyor; bu da çağrı kesintisi oranını önemli ölçüde azaltıp hızı, kapsama alanını ve pil ömrünü iyileştiriyor.

▉Sonuç

5G radyo frekans sistemleri için çoklu taşıyıcı optimizasyonu, ayrıştırma ayarı, çoklu SIM kart destekli eşzamanlılık gibi birçok yenilikçi "kara teknoloji" bulunmaktadır. Bu kara teknolojilerin tamamı teknolojik yeniliklerin sonucudur. Mühendislerin bilgeliğini bir araya getirerek 5G terminallerinin sorunsuz bir şekilde devreye alınmasının temelini atmışlardır.

Günümüzün 5G radyo frekansı artık baz bandın yardımcı bir unsuru değil, baz bantla eşit düzeyde olabilen ve birbirini tamamlayabilen önemli bir mobil telefon bileşenidir.

5G ağ altyapısının sürekli derinleşmesiyle birlikte, mobil telefon iletişimine ek olarak, giderek daha fazla 5G dikey endüstri uygulama senaryosu ortaya çıkmaya başladı. 5G terminallerinin biçimleri çeşitlenecek ve 5G radyo frekansı ön ucu daha büyük bir sınavla karşı karşıya kalacak.

5G radyo frekansı o zamana kadar ne gibi yeni oyunlar oynayacak? Bekleyip görelim!

Bu makale şuradan alınmıştır: "Elektronik Mühendisliği DünyasıHerhangi bir telif hakkı ihlali veya başka bir sorun varsa, lütfen silmek için bizimle iletişime geçin.Fikri mülkiyet haklarının korunmasını destekleyin, yeniden basım yaparken lütfen orijinal kaynağı ve yazarı belirtin.